Jak antybiotyki wpływają na mikrobiom jelitowy?

Mikrobiom jelitowy każdej osoby zawiera specyficzną społeczność mikroorganizmów, które zwykle pozostają stabilne przez lata. Jednak równowaga może zostać zachwiana z powodu takich czynników, jak zmiany w diecie, infekcje lub leki. Szczególnie antybiotyki mają silny wpływ na mikrobiom. W odpowiedzi mikroorganizmy wykorzystują różne mechanizmy oporności, a poszczególne populacje bakterii ewoluują poprzez selekcję wariantów opornych na antybiotyki. Jednak zakres i mechanizmy tych procesów oraz ich wpływ na ekologię społeczności drobnoustrojów są słabo poznane.

W kompleksowym badaniu metagenomicznym naukowcy DZIF, profesor Barbel Stecher i profesor Alice McHardy, wraz z międzynarodowym zespołem badawczym, zbadali ewolucję bakterii jelitowych podatnych na częste zakłócenia spowodowane antybiotykami. W tym celu wykorzystali gnotobiotyczny model myszy, czyli myszy, które pozostały wolne od zarazków i stabilnie skolonizowane znanym konsorcjum bakterii. Model ten pozwala na badania ewolucyjne członków społeczności w naturalnym żywicielu w dobrze określonych i kontrolowanych warunkach. Następnie naukowcy przeanalizowali wpływ różnych klas antybiotyków na mikrobiom w okresie 80 dni. Korzystając z analiz metagenomicznych, przystąpili do selekcji domniemanych mutacji promujących oporność na antybiotyki w populacjach bakterii, a następnie przeanalizowali cechy wyewoluowanych klonów bakteryjnych wyizolowanych ze społeczności.

Udało nam się prześledzić, w jaki sposób wielokrotne leczenie antybiotykami prowadzi do wyselekcjonowania bakterii komensalnych opornych na antybiotyki, co po pewnym czasie zwiększa odporność społeczności drobnoustrojów na niektóre antybiotyki, takie jak tetracykliny. Oprócz adaptacji mikrobiomu poprzez ewolucję poszczególnych mikroorganizmów, znaleźliśmy również dowody na ewolucję oporności na poszczególne bakterie poprzez spowolnienie wzrostu komórek. Można powiedzieć, że mikrobiom przystosowuje się do leczenia i jest w stanie lepiej to tolerować”.

Purple Stecher, koordynator, Infekcje żołądkowo-jelitowe, Niemieckie Centrum Badań nad Infekcjami

Purple Stecher jest również profesorem mikrobiologii medycznej i higieny w Instytucie Maxa von Pettenkofera na Uniwersytecie Ludwiga Maksymiliana w Monachium (LMU).

Ponadto zespół badawczy odnotował indukcję uwalniania leków w wyniku leczenia określonymi antybiotykami. W tym procesie fagi lizogeniczne – których genomy są zintegrowane z genomem bakteryjnym – są aktywowane, po czym replikują się i dokonują lizy komórek gospodarza, gdy uwalniane są nowe cząstki wirusowe. „To przykład tego, jak antybiotyki mogą również pośrednio wpływać na przeżycie bakterii” – mówi dr Philip Munch, pierwszy autor badania.

Ogólnie rzecz biorąc, badanie pokazuje ogromną różnorodność odpowiedzi mikrobiomu na leczenie antybiotykami. Obejmuje to na przykład wpływ środowiska, taki jak hamowanie mikroflory poprzez eliminację ważnych bakterii „partnerskich” w sieci metabolicznej ekosystemu jelitowego.

„Biorąc pod uwagę tak wielką złożoność bezpośrednich i pośrednich odpowiedzi, trudno jest przewidzieć, na które gatunki wpłynie leczenie antybiotykiem, nawet w gnotobiotycznych modelach zwierzęcych z określoną społecznością mikroorganizmów” – podsumowuje profesor Alice McHardy, zastępca koordynatora ds. bioinformatyki. i Machine Learning w DZIF oraz kierownik działu biologii obliczeniowej ds. badań nad infekcjami w Centrum Badań nad Infekcjami im. Helmholtza, instytucji członkowskiej DZIF.